电力系统自动化期末作业
题 目 ： 带励磁系统的自动发电控制（AGC）
学 号 ： P091812925
姓 名 ： 谢海波
同 组 人 ： 马宁、马超、李维、谢海波、杨天曾
专业班级 ： 09级电气工程及其自动化3班
学 院 ： 电气工程学院
指导教师 ： 杨晶显老师
目 录
目录 1
1 概述 2
1.1课题背景 3
1.2 带励磁系统的同步发电机LFC和AVR控制示意图 4 2 发动机调速系统 5 2.1发电机模型 5 2.2负荷模型 6 2.3原动机模型 6 2.4调速器模型 7 3 发电机励磁系统 7 3.1 励磁调节器的工作原理 7 3.2 励磁方式 8 3.3 励磁机的作用 8 4 励磁系统的自动发电控制（AGC） 5 仿真结果分析 13 6 总 结 14 参考文献 14
9
带励磁系统的自动发电控制（AGC）
摘 要：随着电力系统自动化的高度发展，现代电网已发展成为在电力市场机制的基础上多控制区域的互联系统，自动发电控制(AGC)作为互联电网实现功率和频率控制的主要手段，其控制效果直接影响着电网品质。因此，跨大区互联电网通过什么样的标准对其控制质量进行评价，电网AGC采用什么样的控制方法是近年来调度自动化关注的一个热点问题。本论文紧紧围绕这一具有重要现实意义的课题展开了研究和讨论，介绍了带励磁系统的自动发电控制电网AGC技术的实现与发展，带励磁系统的同步发电机LFC和AVR控制方案，发电机的调速系统模型的基本组成及其设计和控制策略。最后通过一个孤立发电站的组合仿真框图及其技术参数，搭建混合SIMULINK仿真框图进行仿真，当励磁系统参数变化时求出其频率偏差和机端电压响应，通过仿真结果来分析频率控制和电压控制的关系。
关键词：励磁系统，自动发电控制，电力系统，频率，电压
1 概述
自动发电控制(Automatic Generation Control)简称AGC，作为现代电网控制的一项基本功能，它是通过控制发电机有功出力来跟踪电力系统的负荷变化，从而维持频率等于额定值，同时满足互联电力系统间按计划要求交换功率的一种控制技术。它的投入将提高电网频率质量，提高经济效益和管理水平。自动发电控制技术在“当今世界已是普遍应用的成熟技术，是一项综合技术”。自动发电控制在我国的研究和开发虽然起步较早，但真正在电网运行中发挥效能，还是在最近几年。原来我国几个主要电力系统都曾试验过自动频率调整(AFC)，而直到改革开放以后，自动发电控制却还未能全部正常运行。近些年来，随着我国经济的高速发展，对安全、可靠、优质和经济运行，各大区电网都对频率的调整非常重视，并实行了严格的考核。为实现这一目标，全国各大电网均不同程度地采用了AGC技术。随着计算机技术、自动控制理论、网络通讯等技术的发展，电厂、电网自动化运行水平
的不断提高，自动发电控制逐步得到广泛的应用。现代的AGC是一个闭环反馈控制系统，主要由两大部分构成，如图1-1所示：
（1）负荷分配器：根据测得的发电机实际出力、频率偏差和其它有关信号，按一定的调节准则分配各机组应承担的机组有功出力设定值。该部分为传统的电网调度功能实现。
（2）机组控制器：根据负荷分配器设定的有功出力，使机组在额定频率下的实发功率与设定有功出力相一致。电厂具备AGC功能时该部分由机组协调控制系统CCS自动实现。
图1-1 AGC组成示意图
1.1课题背景
在准同期并网的时候，发电机的电压和频率与电网的电压和频率有一定的偏差，频率偏差 （frequency deviation ）是指系统频率的实际值和标称值之差。电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到±0.5Hz。在有功功率电源不足或缺乏备用容量的电力系统中，当有功负荷增加时，会造成频率下降，此时电气设备处在低频率下运行。低频率运行除了会对发电厂的安全运行造成较大的危害外，还会使所有的用户的电动机转速都相应降低。例如：若电流频率由50HZ降到48HZ，电动机的转速将降低4%，致使冶金、化工、机械、纺织造纸等工业的产量和质量都会受到影响。假如并网前发电机电压略高于电
网电压、发电机频率也略高于电网频率（一般而言），并入电网后发电机向电网输出电流，此电流是无功电流，对发电机有去磁作用，使发电机电压下降，直到电压偏差保持在一定的范围内；同样由于发电机频率略高于电网，发电机就向电网输出一个有功电流，此电流在轴上产生一个反力矩，使发电机的转速减慢，频率下降，直到电压偏差保持在一定的范围内。但这个过程需要一定的时间，且波动性大，且对电网的稳定运行会产生一定的影响，如果发电装置带上励磁系统会改善电力系统的性能。
1.2 带励磁系统的同步发电机LFC和AVR控制示意图
在互联网系统中，每一台发电机都安装了负荷频率控制（LFC）和自动电压调整（AVR），基本的发电控制环如图1-2所示。负荷频率控制器设置了一个频率的设定值，他检测频率和发电机有功功率的微小变化，调整汽轮机阀门开度，保持发电机的频率在一个允许的范围内。自动电压调整控制器设置了一个电压的设定值，它检测极端电压和无功功率的微小变化，调整发电机励磁电流，保持发电机的极端电压在一个允许的范围内。励磁系统时间常数比原动机时间常数要小很多，因而它的暂态衰减要快得多，且不会影响LFC的动态特性，因此LFC控制环和AVR控制环可以看成是互补影响的两个控制环，可以将其分开来分析。
图1-2 同步发电机LFC和AVR的示意图
Excitation system——励磁系统； Automatic voltage regulator (AVR)——自动电压调整；
Voltage sensor——电压测量；Gen. field——发电机磁场；Turbine——汽轮机；Steam——蒸汽；Valve control mechanism——阀门控制；Load frequency control (LFC) ——负荷频率控制；Frequency sensor——频率测量
2 发动机调速系统
发电机的调速系统由原动机、发电机、负荷和调速器组成。分析和设计控制系统的第一步是建立系统的数学模型，而建立模型的最普遍的两种方法是传递函数法和状态变量法。状态变量法可以应用到线性和非线性系统，而为了用传递函数法和线性状态方程，首先必须将系统线性化，即用合理的假设和近似将数学方程线性化，获得以下元件的传递函数。
2.1发电机模型
根据同步发电机的摆动方程式，对小扰动有
（2-1）
或根据速度偏差
（2-2）
速度是标幺值，不写标幺值标识，有
（2-3）
对式（3）做拉格朗日变换，有
（2-4）
式（4）的关系可以用框图表示，如图2-1所示。
图2-1 发电机框图
2.2负荷模型
电力系统的负荷由各种用电设备组成。对电阻性负荷，比如电灯和加热设备，消耗的电能与频率无关。电机负荷对频率的变化比较敏感，其敏感程度取决于驱动设备速度——负荷特性的综合。综合负载的速度——负荷特性近似表示为 （2-5）
式中
——非频率敏感设备的功率变化；
——频率敏感设备的功率变化；
——负荷变化的百分数与频率变化的百分数之比，若频率变化1%，负荷用电量变化1.6%，则
=1.6。
在发电机模型中加入负荷模型，画出如图3的框图。去掉反馈环，则得到图4框图。
图2-2 发电机和负荷框图 图2-3 发电机和负荷框图
2.3原动机模型
机械功率的源就是原动机，它可以是水论及、汽轮机或燃气论及。输出功率的变化
取决于蒸汽的开度
。不同类型的涡轮机特性差别很大。对无再热蒸汽轮机，原动机模型可以近似用一个时间常数
来表示，传递函数有
（2-6）
简单无再热汽轮机的框图如图5所示。
图2-4 简单无再热汽轮机框图
时间常数
的范围是0.2~2.0。
2.4调速器模型
调速器好比一个比较器，它的输出 是设定功率
和功率
的差。
由调速器特性给出有
（2-7）
或频域
（2-8）
指令
经过液压放大传递给阀门开度位置指令
，假定一个线性关系并认为时间常数为
，则有以下的频域关系式
（2-9）
3 发电机励磁系统
3.1 励磁调节器的工作原理
发电机端电压经电压互感器降压后输入到测量单元，电压讯号在测量单元中经测量比较后，将电压偏差量输入到中放单元放大，并作为移相单元的控制电压以相应改变触发单元的触发脉冲相位角，从而改变了自动可控硅的控制角和交流励磁机励磁电压值，相应地改变了主发电机的励磁，当发电机负载增大而使发电机电压下降时调节器使自动可控硅整流器的控制角检小，以增大发电机的励磁，当发电机减少负荷时，其操作以上述相反，减少励磁来维持发电机端电压为给定值。
3.2 励磁方式
根据直流电机励磁方式的不同，可分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式，直流电机的转动过程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速。1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有
专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。
3.3 励磁机的作用
励磁机的作用包括以下几个方面： a 发电机并网前，调节发电机输出的端电压； b 发电机并网后，调节发电机承担的无功功率；c 提高同步发电机并列运行的静、动态稳定；（ 静态稳定： 采用灵敏快速的励磁调节系统，可以提高发电机在小干扰下的稳定性；动态稳定：采用响应快速、顶值电压较高的励磁调节系统，可以提高发电机在的大扰动下的稳定性）。 d 发电机事故时，对转子绕组迅速灭磁，以保护发电机的安全。
4 励磁系统的自动发电控制（AGC）
由于LFC和AVR系统之间联系软弱，可以将频率和电压幅值分开控制，这里将线性化的AGC系统扩展，使之包括励磁系统。由式可知功率的微小变化是同步功率系统
和功角
的微小变化的乘积。如果考虑电压对有功功率的微小影响，就有以下的线性化方程为
（2-10）
式（）中的
是定子电动势的变化对功率变化的影响。同样，考虑转子功角对发电机机端电压的影响，有
（2-11）
式中
——当定子电动势为常数时，机端电压的变化相对转子功角的变化；
——当转子电动势为常数时，机端电压的变化相对转子功角的变化；
最好为了推出包括转子功角的发电机磁场传递函数，将定子电动势表示为
（2-12）
式（）的常数是由网络参数和运行状态决定的。对于稳态系统，
是正值，同样
、
、
为正值，但
可能为负值。
【例３－９】一个孤立的发电站的组合仿真框图如图8所示，其参数见表3-1。
表3-1 孤立发电站参数 设备 汽轮机 调速器 放大器 励磁机 设备 发电机 传感器 惯性常数 调差系数 增益 =1 =1 =10 =1 增益 =1 =1 H=6 R=0.04 =0.04 =1.5 =0.5 时间常数 =0.1 =0.2 =0.4 时间常数 当频率变化1%时负荷变化0.8%，即
=0.8。假定同步功率因数
=1.5，电压系数为
=0.5，并且耦合常数
=0.2、 =1.4、
=-0.1。建立混合SIMULINK仿真框图，并求当负荷标幺值变化 =0.25时的频率偏差和机端电压响应。
解: 在SIMULINK中的仿真框图如图3-3所示。运行后，第二个LFC环的积分增益为6.0，励磁系统PID控制器的增益为
=1、 =0.25、
=0.3。速度偏差阶跃响应和机端电压阶跃响应如图、图所示。可以发现，当耦合系统都设为零时，暂态响应几乎没有什么变化，因此频率控制和电压控制可以分别考虑。
将耦合系数都设为零，分别求频率偏差的传递函数φ1(s)和机端电压传递函数
φ2(s)。
1.频率偏差传递函数的求取
频率偏差闭环传递函数为：
用下面的命令求解频率偏差阶跃响应：
PL=0.55;
numc1=[4 30 50 0];
denc1=[48 363.2 630 1395 675];
t=0:0.02:15;
c=-PL*step(numc1,denc1,t);
plot(t,c),grid
xlabel('t(s)'),ylabel('Dw')
title('例3—9的频率偏差阶跃响应')
阶跃响应的频率偏差如图6所示
图3-1 频率偏差阶跃响应
2.机端电压传递函数的求取
PID控制器传递函数
前项通道传递函数
机端电压闭环传递函数为：
用下面的命令求解频率偏差阶跃响应：
numc2=[48 1360 4040 1000];
denc2=[3 113 1034 3340 5000 1000];
t=0:0.02:15;
c=step(numc2,denc2,t);
plot(t,c),grid
xlabel('t(s)'),ylabel('Vt')
title('例3—9的机端电压阶跃响应')
阶跃响应的极端电压如图3-2所示
图3-2 机端电压阶跃响应
3.建立仿真模型按照【例3-9】改变SINULINK模型的参数，并在SIMULINK中运行，即可得到频率偏差和机端电压阶跃响应，仿真图如图3-3所示。
图 3-3 【例3-59】的仿真框图
运行仿真图得到图3-4 、图3-5所示的频率变差和机端电压阶跃响应图
图3-4 频率阶跃响应
图3-5 机端电压阶跃响应
5 仿真结果分析
（1）由图3-4 频率阶跃响应曲线和图3-5 机端电压阶跃响应曲线可以发现，当耦合系数都设为零时，暂态响应几乎没什么变化，因此频率控制和电压控制可以分别考虑。对MATLAB仿真运行过程进行分析及得出结论： 励磁控制系统的调节和控制算法，本例采用PID控制，就PID调节和算法做如下分析： PID调节及算法，按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器是应用最广泛的一种调节器。比例调节可以减小控制系统惯性时间常数，但相对稳定性降低，而且不能消除稳态误差；积分调节可以消除稳态误差；微分调节可以提高系统的稳定性，相应可以增加比例凋节放大倍数。串联PID调节(理想PID调节)输入输出之间微分方程：
。
（2）励磁系统采用PID控制方式，以发电机电压偏差信号进行调节励磁，有助于改善发电机的动态和静态稳定性。同时，向励磁系统提供的超前相位输出会在一定程度上补偿励磁电流的滞后相位和克服负转矩。但是PID调节主要针对的是电压偏差信号而设计的，它所产生的超前相位频率未必与低频震荡频率同相，亦即未必能满足补偿负阻尼所需的相位。此外，在PID调节系统中为了控制电压，必须连续地对电压偏差进行调节，因此无法区别阻尼转矩为正值、负值之间的变化以及难以顾及发电机电压调节及保证阻尼转矩为正值的要求。为此，PID调节方式对于抑制系统低频震荡的作用是有限的。因此维持电压水平是励磁控制系统的最主要的任务。
6 总 结
自动发电控制(AGC)作为互联电网实现功率和频率控制的主要手段，其控制效果直接影响着电网品质。本设计紧紧围绕这一具有重要现实意义的课题展开了研究和讨论，介绍了带励磁系统的自动发电控制电网AGC技术的实现与发展，带励磁系统的同步发电机LFC和AVR控制方案，发电机的调速系统模型的基本组成及其设计和控制策略。最后通过一个孤立发电站的组合仿真框图及其技术参数，搭建混合
SIMULINK仿真框图进行仿真，当励磁系统参数变化时求出其频率偏差和机端电压响应，通过仿真结果来分析频率控制和电压控制的关系首先它能够保证电力系统运行设备的安全。电力系统运行设备都有其额定运行电压，保持发电机端电压在容许水平上是保证发电机及其电力系统设备安全运行的基本条件之一。所以，无论在静态还是在动态都应该保持发电机的电压在给定的容许水平上，大型发电机运行电压不得高于额定值的110％。其次它能够保证发电机运行的经济性。假如电压下降，则输出同样的功率所需的定子电流将增加，从而使损耗增加，大型发电机的电压不得低于额定值的90％，当低于95％ 时发电机应限负荷运行。最后对静态、动态和暂态的改善都有显著的作用，也是最为简单和有效的措施。
参考文献
【1】 王葵，孙莹.电力系统自动化（第三版）.北京：中国电力出版社，2012
【2】 李先彬.电力系统自动化.5版.北京：中国电力出版社，2007
【3】 郭培源.电力系统自动控制新技术.北京：科学出版社，2001
【4】 涂广瑜.汽轮发电机及电气设备.北京：中国电力出版社，1998.
【5】 IEEE Committee Report. Load Forecast Bibliography. PhaseI. IEEE Trans. on Power and System.Vol.PAS-99.No.1,1980.
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